Logique calcul et Dominons les dominos Quels assem blages obtient- on avec des dom i nos? Au détour de ces ques tions pos é es par les a mateurs de diverti ssements géom é t r iques et qui int é r essent au jou rd hui les prof ess ion nel s, on ren contre les nom br es de Fi bonacci, d'éton na nts résu ltats et des ques tions non résol ues. out juste un peu plus compliqué que le carré, l'anodin double carré, ou domino, est une source inattendue de questions géom é t riques et combinatoires qui plaisent à t o u s, car les astuces utilisées dans les d é m o n s t rations sont remarquables d ingén i o s i t é. Ainsi lorsque l'on a devant soi un polygone orthogonal (polygone obtenu en accolant par les côtés des carrés égaux) et une pile de dominos, la question que l'on se pose est celle du pavage : le polygone orthogonal peut-il être pavé par des dominos sans recouvrement, ni espace vide? Nous emploierons l'adjectif d o m i n a bl e pour qualifier ces figures «pavables» avec des dominos. Bien sûr, pour qu'un polygone orthogonal soit dominabl e, il faut que le nombre de carrés qui le composent soit un nombre p a i r, car chaque domino recouvre deux carrés d un coup.c e t t e condition est-elle suffisante? Non. Un exemple du contra i r e est la figure en fo rme de T (une barre hori zontale et une barre ve rticale de même nombre de carrés). Un T composé de 6 carrés ( voir la lettrine du début du tex t e ), trois pour la barre h o ri zo n t a l e, trois pour le pied, n'est pas dominabl e. D é t e rminer quels sont les rectangles dominables est fa c i l e. Un rectangle n x m est dominable si et seulement si n ou m est pair : si n est pair, on pave chacune des m lignes de longueur n qui compose le rectangle en plaçant n/2 dominos ; s i m est pair, on procède de la même façon en décomposant la figure en lignes de longueur m ; si n et m sont tous les deux i m p a i r s, leur produit l est aussi et le pavage d un nombre impair de cases avec des dominos est impossibl e. L aide du coloriage en damier Des raisonnements très astucieux, fondés sur le coloriage en damier, permettent de déterminer la «d o m i n a b i l i t é» pour les figures obtenues en enlevant deux carrés à un rectangle n x m (voir la figure 2a où l on raisonne sur un carré n x n, mais la méthode est générale). Nous allons examiner trois autres résultats généraux obtenus avec cette technique du coloriage en damier que le physicien Georges Gamov présentait comme un «m i racle d ingéniosité mathématique». Le premier est le théorème des côtés pairs. Il affirme que si un polygone orthogonal n'a que des côtés de longueur paire, alors il est dominabl e.la démonstration est facile si on ajoute l ' hypothèse que la figure est sans trou, elle l'est un peu moins si on considère des figures avec trous ( voir la figure 3). L e second résultat dû à Philip Hall a été découve rt en 1935. I l indique que si un polygone orthogonal n'est pas dominabl e, alors un raisonnement simple par damier le prouve ra. La figure 5 donne les explications concernant ce beau résultat. En 1999, György Csizmadia, Jurek Czyzowicz, Leze k G a s i e n i e c, Evangeos Kranakis et Jorge Urrutia ont proposé un troisième résultat général : le théorème des côtés impairs (voir la figure 6). À l'inverse du théorème des côtés pairs, il donne un critère permettant de savoir qu'un polygone ort h o- gonal n'est pas dominable : si un polygone orthogonal sans trou n'a que des côtés de longueur impaire, alors il n'est pas d o m i n a bl e. N'est-il pas étonnant qu'il ait fallu attendre la fin du X X e siècle pour découvrir un théorème aussi simple? Ainsi, le T composé de 3 carrés pour la barre horizontale et ayant un pied de longueur 3 n'a que des côtés de longueur impaire : 1 ou 3. D'après le nouveau critère et sans aucun raisonnement supplémentaire, nous savons qu il n'est pas dominabl e. De même, un double escalier composé de lignes de 1, 3, 5, 7 carrés n'est pas dominable, car ses côtés ont pour longueur 1 ou 7. Le résultat est vrai plus généralement pour les doubles escaliers 1, 3, 5,..., 2n+1. L a d é m o n s t ration, assez longue et délicate, de ce nouve a u résultat se fonde sur la technique du damier et consiste à montrer que, dans le cas indiqué, le nombre de cases bl a n c h e s n'est pas égal au nombre de cases noires, ce qui bien sûr e n t raîne l'impossibilité d'un pavage par des dominos. Si une figure possède un ou plusieurs trous, le théorème des côtés impairs n'est plus vrai comme le montre l'anneau carré le plus simple ( voir la figure 6 ). Lorsqu'un polygone o rthogonal possède à la fois des côtés de longueur paire et des côtés de longueur impaire, on ne peut rien dire : p a r fois il est dominabl e, parfois non! 1. Le dia ma nt aztèque d ' ordre n est l'empi lement de lig nes cent r é es de carrés de long ueur 2, 4, 6,..., 2N 2, 2N, 2N, 2N 2,..., 6, 4, 2. La figure cent ra le dom i nable est étra nge : pr esque tous les pav ages par dom i nos d'un gra nd dia ma nt aztèque poss è dent une zone cent ra le ci r cu laire désordonnée à l int é r ieur d un cer cle «pola i r e», alors qu ' à l ' ext é r ieur de ce tte zone tout est gelé en réseaux de dom i nos pa ra l- l è les (voir le site htt p : / / w w w. math. w i sc. edu /~propp / ti l i ng / ). 90 POUR LA SCIENCE - N 345 JUILLET 2006
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2. Les miraculeux raisonnements par damier. ( a ) Si on en l è ve deux coi ns opposés à un carré (2n) x ( 2n) dom i nable, la f igure obtenue n'est pl us «dom i nable» (pl us recou v rable exactement par des dom i nos). Pour le mont r er, color ions les cases com me cel les d un da m ier. Tout dom i no, cons titué de deux cases, posé sur le da m ier, couvre tou jours une case bla n che et une case noi r e. Une figure dom i nable a donc au ta nt de cases noi r es que de bla n ches et la figure obtenue qua nd on en l è ve deux coi ns opposés d'un carré (2n) x ( 2n) poss è de deux cases bla n ches de pl us que de cases noi r es (ou l'inver se selon les coi ns que l on pr end ), car les coi ns en levés sont de la même cou leur : el le n'est don c pas dom i nable. ( b ) Si on en l è ve deux carrés de cou leurs diff é r entes à un carré colorié en da m ier, la figure obtenue est tou jours dom i- nable. Dess i nons un chemin passa nt par tous les carrés du recta ng le. Les deux cases en lev é es (ma r qu é es d u ne croi x) coupent ce chemin en deux pa r ties aya nt chacu ne une long ueur pa i r e ( car les cases en lev é es sont de cou leurs diff é r entes et que les cases du chemin alternent bla n che- noi r e- bla n che- noi r e-...). Chacun de ces deux mor ceaux de chemin est dom i nable, donc la fig u r e t rou é e ( c ) est dom i nable. ( d ) Si on en l è ve un carré de la cou leu r des coi ns (tous les quatre de la même cou leur) à un rec ta ng le non dom i nable (2n + 1 ) x ( 2m + 1) colorié en da m ier, la figure obtenue dev ient dom i nable : il su ff it de dess i ner un chemin en zig zag sur le da m ier et de ra i son ner com me pr é c é dem ment. 3. Le théorème des côtés pairs i nd ique que si un polygone orthogonal n'a que des côtés de long ueur pa i r e, alors il est dom i nable. Si la figure est sa ns trou, on peut la diviser en carrés de côté 2, chacu n pou v a nt alors être pavé par 2 dom i nos ( a ). Da ns ce cas, d'ailleu r s, tous les dom i nos peu vent être placés hor izonta lement( b ), ou tous vertica lement ( c ). Si la figure poss è de des trous ( a ) cela se compl ique. La m é tho de pour paver la figure se décompose en trois étapes. 1- On place la figure sur le plan de faç on que les co ordon n é es des poi nts du pou rtour soient tou tes pa i r es (poi nts verts) : on obtient un tel pos ition nement en plaç a nt l'un des coi ns ext é r ieurs de la figure au poi nt de co ordon n é es (0, 0). La diff icu lté prov ient de ce que les somme ts internes délimita nt les trous n'ont pas de ra i son d'avoir des co ordon n é es pa i r es, ce qui emp ê che de ra i son ner com me da ns le cas où il n'y a pas de trou. 2- On pave les bords de chaque trou (soit tous les bords, soit les bords hor izontaux, soit les bords verticaux) de faç on que la pa rtie res ta nt à paver n'ait pl us que des som me ts de co ordon n é es pa i r es ( b ). 3- Pour la pa rtie res ta nte, on est ra mené à une situation équ i v a- lente à celle de la configuration sans trou (une figure décomposable en carrés de côté 2), car ce tte pa r tie est délimitée par des som me ts ext é r ieurs et int é r ieu r s aya nt à chaque fois deu x coordonnées paires. 4. Pro blème invers e. Pour tout entier n, peu t- on trou ver une f igure poss é da nt exac tement n pav ages diff é r ents par dom i nos? Les rec ta ng les troués ci - dessus don nent la réponse : le rec ta ng le ayant n 1 trous possède exactement n pavages par dominos. 92 POUR LA SCIENCE N 345 JUILLET 2006
Pour beaucoup de figures particulières (comme les figures en fo rme de L, d'anneaux, de U, de croix, etc.), on sait déterminer si elles sont dominables ou pas et c'est une source inépuis a ble d'exercices géométriques simples et amu s a n t s. N o t o n s que le problème de savoir si un polygone orthogonal est domin a ble ou non appartient à la classe des problèmes polynomiaux : il peut être traité en un temps inférieur à C x n 3 / 2 (où C est une c o n s t a n t e, et n le nombre de carrés de la figure). Nombre de pava g es poss i bl es Très naturellement, lorsqu'un polygone est dominable se pose la question du nombre de façons différentes de le paver par des dominos (lors de ces décomptes, si un pavage se déduit d un autre par une symétrie ou une rotation, on le compte quand même). Pour les rectangles 1xN (N évidemment pair), la réponse est patente : il n'y a qu'une façon de paver le rectangle. Po u r les rectangles 2 x N, la réponse est intéressante puisqu'elle p e rmet de retrouver la plus célèbre des suites de nombres e n t i e r s : la suite de Fibonacci 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13,... où chaque t e rme f (N ) est la somme des deux précédents. Voici le raisonnement par récurrence montrant que le nombre de façons différentes de paver un rectangle de taille 2 x N p a r des dominos est f (N + 1 ). Pour paver le rectangle 2 x 1, il n'y a évidemment qu'une façon, 1 = f ( 2 ). Pour le rectangle 2 x 2, il y en a 2, soit f (3) : deux dominos hori zontaux ou deux dominos ve rt i c a u x. Examinons la récurrence : supposons que pour paver par des dominos les rectangles de taille 2 x 1, 2 x 2,..., 2 x N, il y a respectivement f (2),..., f (N + 1) fa ç o n s de le faire et montrons que pour paver le rectangle 2 x (N + 1 ), il y en a f (N + 2 ). Il y a deux façons de placer les dominos remplissant l'extrémité droite du rectangle. ( a ) Soit nous plaçons un domino ve rticalement, et alors il reste un rectangle de taille 2 x N à couvri r, ce qui par hy p o- thèse peut se faire de f (N + 1) façons différentes. ( b ) Soit on place un domino hori zontalement, mais alors il faut en placer un autre hori zontalement sur le premier, et alors il reste un rectangle de taille 2 x (N 1) à recouvri r, ce qui, par hy p o t h è s e, peut se faire de f (N) façons différentes. Au total, le nombre de façons différentes de couvrir le rectangle de taille 2 x (N + 1) est donc bien f (N + 1) + f (N) = f (N + 2 ). Pour les rectangles de fo rme 3 x ( 2N), il existe un résultat a n a l o g u e.le nombre de façons différentes de paver le rectangle est donné par la suite : g(0) = 1, g(1) = 3, g(2) = 11, g(n +1 ) = 4 g(n) g(n 1 ). Les premiers termes de cette suite sont 3, 11, 41, 153, 571, 2131, 7953, 29681, 110771, 413403, 1542841, 5757961, 21489003, 80198051, 299303201...Il s'agit de la suite numérotée A001835 de l'encyclopédie des suites d'entiers du mathématicien Neil Sloane que vous trouverez en : h t t p : / / w w w. r e s e a r c h. a t t. c o m / ~ n j a s / s e q u e n c e s / Pour un rectangle quelconque (2n)x( 2m), une fo rmule générale donnant le nombre de façons de le paver par des dominos a été découve rte en 1961 simultanément et indépendamment par trois personnes, M.F i s h e r, H.Te m p e rl ey et P.K a s t e l ey n.n o u s l'indiquons car, bien que complexe et difficile à démontrer, elle est étrange et belle. Elle montre que la résolution d un problème simple oblige parfois à recourir à des outils inattendus, 5. Le théorème de Philip Ha l l. Qua nd une figure coloriée en da m ier a le même nom bre de cases de chaque cou leu r, il ex i s te un arg u- ment sta nda rd qui montre (si c'est le cas) que la figure n'est pas dom i- nable. La figure a trouée comporte 32 ca r r é s, 16 de chaque sorte, ma i s el le n est pas dom i nable. Cons id é rons sur la figure b les cases ma r qu é es par des ronds. Les cases avec lesquel les el les peu vent s'appa r ier (qua nd on y pose un dom i no) sont ma r qu é es par des étoi les. Il y a 6 ronds et seu lement 5 étoi les : il sera donc imposs i ble de poser des dom i nos su r les 6 ronds sa ns qu'ils se chev auchent : la figure n'est pas dom i nable. Le th é or è me de Philip Hall ind ique que si une figure n'est pas dom i nable, il est tou jours poss i ble de le démont r er avec ce ra i son nement. 6. Le théorème des côtés impairs, d é cou vert et démontré il y a six ans, ind ique que si un polygone orthogonal sa ns trou n'a que des côtés de long ueur impaire alors il n'est pas dom i nable. Le double esca l ier à 16 carrés ( a ) qui n'a que des côtés de long ueur 1 ou 7 n'es t donc pas dom i nable (colorié en da m ier, il comporte 15 cases noi r es et 10 cases bla n ches). Si la figure a des trous, le cr itère n est pl us valable, com me le montre la fig u r e ( b ) que l'on pave faci lement avec 4 dom i- nos. Lor squ ' u ne figure poss è de à la fois des côtés de long ueurs pa i r es et impa i r es, rien de général ne peut être aff i rmé : la figure c est dom i- nable, la figure d ne l est pas. 7. Roberto Toraso de l'université Tor Vergata de Rome a démontré en 2004 deux intéressants résultats. (a) Le nombre de pavages par des dominos d'un L dont l'axe central est composé de deux segments de longueurs n et m est donné par l'expression f(n + 1) f(m) + f(n) f(m + 1) où f(n) est la suite de Fibonacci. (b) Le nombre de pavages par des dominos d'un anneau carré de largeur 2 et dont le côté de l'axe cent ral a pour long ueur n est donné par l'ex pr ess ion 4(f(n + 1)f(n 1) + f(n) 2 ) 2. POUR LA SCIENCE Logique & calcul 93
8. Po rtra its de dominos. Pour les cons t ru i r e, Robert Bosch util i se des jeux comple ts de dom i nos (Dom i no A rt wor k. com). Ces port ra its uti l i sent 48 jeux comple ts de dom i nos jusqu au double neuf alor s que les dom i nos habituels ne vont que jusqu au double six. Pour trou- ici les fonctions tri g o n o m é t riques (bien sûr on ne sait pas simplifier cette fo rmu l e ). Le nombre de façons différentes de pave r un rectangle (2n) x ( 2m) par des dominos est exactement : Par exe m p l e, pour m = 2, n = 3 la fo rmule donne : 4 6 ( c o s 2 3 6 + c o s 2 25,71... ) (cos 2 3 6 + c o s 2 5 1, 4 3... ) ( c o s 2 3 6 + c o s 2 77,14... ) (cos 2 7 2 + c o s 2 2 5, 7 1... ) ( c o s 2 7 2 + c o s 2 51,43... ) (cos 2 7 2 + c o s 2 7 7, 1 4... ) = 4 6 ( 1, 4 6 6 2... ) ( 1, 0 4 3 2... ) ( 0, 7 0 4 0... ) ( 0, 9 0 7 2... ) ( 0, 4 8 4 2... ) ( 0, 1 4 5 0... ) = 281. On obtient un nombre entier à l'issue du calcul, bien 9. Le théorème de Th u rsto n. En fa i sa nt tou rner de 90 un couple de dominos formant un carré, on transforme une paire horizontale en paire verticale et réciproquement (a). Considérons deux pav ages ( b ) e t (c) d i ff é r ents par dom i nos. En répéta nt l'op é ration de rotation de couples de dominos accolés (d), on passe du pavage (b) au pav age ( c ). D après le th é or è me de Thu r s ton, si le polygone orthogonal dont on part est sans trou, le passage d'un pavage à un autre par de telles rotations de couples de dominos accolés est toujours possible. L'anneau simple (e) montre que la condition «sans trou» est essentielle. que les facteurs soient tous des nombres réels non entiers! Vous pouvez véri f i e r, avec un programme d'ordinateur, qu'il y a bien 281 façons de paver un carré 4 x 6 par des dominos. Avec cette fo rmu l e, les problèmes de dominos quittent le domaine des récréations mathématiques élémentaires! Les dia ma nts aztèques Plus récemment, N.E l k i e s, G.Kuperberg, M. Larsen et J. P r o p p ont montré que le nombre de pavages par des dominos du diamant aztèque d'ordre N la figure symétrique composée de lignes de carrés ayant respectivement pour longueur 2, 4, 6,..., 2N, 2N,..., 6, 4, 2 ( voir la figure 1) est 2 N(N + 1)/2, ce qui est tout de même plus sympathique que la fo rmule pour le rectangle! On connaît aujourd'hui 12 démonst rations de ce résultat.malheureusement, aucune n'est simple. Le degré de liberté pour paver une figure est le nombre de façons de paver la figure par dominos. Le d e gré de liberté par carré est la racine n-ième de ce degré, où n est le nombre de carrés de la figure. Plus ce nombre est petit plus il est difficile de paver la figure. Un diamant aztèque d'ordre N possède 2N (N + 1) carrés et donc le degré de liberté par carré de cette figure est exactement : (2 N (N + 1)/2 ) 1/2N (N + 1) = 2 1/4 = 1,189207115... Pour un carré N x N, on évalue le degré de liberté par carré à partir de la fo rmule avec des cosinu s. On trouve que ce nombre est 1,338515152... ce qui est sensiblement plus que pour le diamant aztèque. Cela n'est pas surprenant puisqu'on sent bien, en tentant de remplir un diamant aztèque par des dominos, que les côtés en escalier créent de nombreuses contraintes qui limitent les choix possibl e s, alors qu'on a beaucoup plus de liberté quand on remplit un carré N x N. D autres propriétés fascinantes du diamant aztèque sont aujourd'hui étudiées par J. Propp et un groupe de chercheurs autour de lui. En particulier, ils ont démontré que lorsqu'on prend au hasard un pavage par dominos du diamant aztèque, il existe une zone circulaire centrale à l intérieur d un cercle d é n o m m é cercle polaire, où les dominos sont placés de fa ç o n assez désordonnée dans les deux sens, alors que les parties autour sont très bien rangées (dominos bien para l- 94 POUR LA SCIENCE N 345 JUILLET 2006
) (b) (c) (d) ver les emplacements opti maux des dom i nos, R. Bosch divise l image ( a ) en carrés ( b ) et mesure de 0 à 9 les intens ités de gris ( c ) de chaque carré. Puis son prog ra m me ca lcu le quel arra ngement de dom i- nos (pris au complet) réalise au mieux ces intens ités ( d ). lèles). L'existence de ce cercle inattendu reste mystérieuse (voir la figure 1). Indiquons, d autre part, pour les pavages par dominos, deux résultats plus faciles démontrés par Robert o Toraso et décrits sur la figure 7. Un étra n g e, délicat et merveilleux théorème a été fo r- mulé et démontré par William Thurston de l'université de P ri n c e t o n. Que ce lauréat de la médaille Fields 1982 ( l ' é q u i valent pour les mathématiques du prix Nobel) ait trouvé bon de s'occuper de dominos montre que tous les sujets m a t h é m a t i q u e s, y compris ceux qu'on classe parfois ave c condescendance dans la catégorie des récréations mathém a t i q u e s, sont susceptibles d'intéresser les meilleurs mathématiciens qui y découvrent parfois de véri t a bles petits bijoux (voir la figure 9). Le décompte des pavages par dominos suggère une question simple : est-ce que pour tout entier N, il existe une figure d o m i n a ble possédant exactement N p avages différents par d o m i n o s? La réponse, positive, a été donnée par plusieurs amateurs dont B. H a r ri s, Brendam Owen, Alexandre Muniz, Tr evor Green et T i m o t hy Luffingham qui ont proposé des constru c- tions générales ( voir la figure 4). Une autre question est moins bien résolue : pour un N donné, quel est le nombre minimal D(N ) de carrés que doit posséder une figure pour qu'elle admette exactement N p avages différents par des dominos? Pour N = 7, par exe m p l e, on connaît une figure à 1 0 carrés possédant 7 pavages différents par dominos et on n'en connaît aucune ayant moins de 10 carrés. On pense donc que D(7) = 10. Pour N = 2000, la question a été étudiée avec un soin particulier par de nombreux amateurs de récréation mathématique, car en l'an 2000 année mondiale des mathématiques elle avait été soumise comme d é f i. De nombreuses solutions à 38 carrés furent proposées, mais finalement le Japonais Yoshiyuki Kotani en trouva une à 34 carrés par une méthode de recherche systémat i q u e. Nous ignorons si 34 est le minimum possibl e, voir : h t t p : / / w w w. s t e t s o n. e d u / ~ e f ri e d m a / m a t h m a g i c / 0 5 0 0. h t m l. Les lecteurs de Pour la Science feront-ils progresser notre connaissance de ce problème de minimalité? Si vous trouvez ces questions de pavages trop abst ra i t e s, un jeu artistique vous réconciliera avec les dominos : le dessin avec des jeux complets de dominos. On se donne plusieurs jeux complets de dominos (avec des points allant de 0 à 6 ou de 0 à 9) ; on se donne aussi une image, par exemple la Joconde, et le but est de placer au mieux tous les dominos dont on dispose pour reproduire l'image choisie. Les portra its de Ro b e rt Bosch R o b e rt Bosch a ainsi réalisé des dizaines d'images assez étonnantes (voir http://www. d o m i n o a rt wo rk. c o m / ). La méthode qu'il utilise est expliquée sur la figure 8. Sauf hasard ex t ra o r d i- n a i r e, un recouvrement exact n'est pas possibl e, et donc il faut mener une recherche parmi tous les pavages utilisant les jeux complets de dominos pour trouver celui qui s'éloigne le moins de la grille de niveau de gri s. Pour ce fa i r e, R. Bosch utilise des algori t h m e s, nommés algorithmes d'optimisation en nombres entiers, développés depuis longtemps pour traiter des p r o blèmes d'emplois du temps ou de conception de circuits. Les innocents dominos occupent ainsi les artistes mathém a t i c i e n s, les amateurs de récréations géométriques et info r- m a t i q u e s, et les plus brillants des chercheurs, chacun fa i s a n t avancer notre maîtrise et notre compréhension du démoniaque petit rectangle. Notons enfin que les surp rises comme celle du «cercle polaire» montrent que les mathématiques sont d é c o u ve rtes et non inventées car, si elles l étaient, il n y aura i t pas de tels inattendus. Jean-Paul DELAHAYE est prof esseur d informatique à l Un i v. de Lille. E. FRIEDMAN, Le problème inverse et quelques autres questions de pavage par dominos. Math Magic 2005 : www.stetson.edu/~efriedma/mathmagic/0500.html J. - P. DE LA H AY E, Les inattendus math é matiques, Bel i n / Pour la Scien ce, 2004. Fr eder ico AR DILA, Richa rd STA N LEY, Ti l i ngs 2004 : htt p : / / w w w. clay math. org/ fas / sen ior _ schola r s / Sta n ley / G. CSIZ M A DI A et al., Dom i no ti l i ngs of orth ogonal polygons, i n I nter nationa l Jou r nal of Pu re and Appl ied Mathematics, 13(4), pp. 443-459, 2004. R. BOS C H, Constructi ng Dom i no Portra its, i n Tr i bu te to a Mathemag icia n ( Ed. B. Ci pra, E. Dema i ne, M. Dema i ne, T. Ro dgers), A.K. Pe ter s, Wel les ley, Massachuse tts, pages 251-256, 2004. POUR LA SCIENCE Logique & calcul 95